專利名稱：存儲器件和存儲器的制作方法
技術領域：
本發明涉及存儲器件，其包括存儲磁體的磁化狀態作為信息的 存儲層以及具有固定磁化方向的磁化固定層，其中，存儲層的磁化 方向通過4吏電流流過存^諸層而改變。本發明還涉及包4舌這種存4諸器 件的存儲器。該存儲器件和存儲器可適用于非易失性存儲器。
背景技術：
信息和通信設備，尤其是諸如個人數字助理(PDA)的個人小 型設備已經在消費者中日益廣泛地得到使用。隨著這種普及，要求 用在這種設備中的器件(例如，存儲器和邏輯器件)的性能提高， 例如更高的集成度、更快的處理速度以及更低的功耗。特別地，非易失性存儲器被認為是用于提高這種設備性能的重 要部件。實際用在現有技術中的非易失性存儲器包括半導體閃存和鐵 電非易失性存儲器(Fe-RAM)。為了實現更高的性能，已經對這些 存儲器進行了積極的研究和開發。近來，作為利用隧道磁阻效應的非易失性存儲器的磁性隨才幾存取存儲器(MRAM)已經被公開并引起注意(例如，J.Nahas等， IEEE/ISSCC 2004 Visulas Supplement, p,22 )。MRAM具有這才羊的結構其具有T者:^字線和^立線的配線以頭見 則配置每個器件的用于執行信息記錄和存取的微小存儲器件。每個 磁性存儲器件均包括將信息記錄為強磁體的磁化方向的存儲層。此外，》茲性存儲器件的結構采用所謂的石茲性隧道結(MTJ)的 構造，其包括上述存儲層、隧道絕緣層(非磁性隔離層)以及具有 固定》茲化方向的石茲化固定層。》茲化固定層的萬茲化方向可通過例如包 括《失萬茲性層來固定。流過隧道絕纟彖膜的隧道電流的阻抗才艮據由存4諸層的》茲化方向 和》茲化固定層的》茲化方向形成的角度而改變，即，所謂的隧道》茲阻 效應。從而，可利用該隧道萬茲阻效應來寫(記錄)信息。當存4諸層 的》茲化方向和》茲化固定層的石茲化方向反向平4亍時，阻抗值達到最 大。相反，當它們彼此平行時，阻抗值達到最小。在以這種方式形成^f茲性存儲器件的情況下，通過使用在字線和 位線上生成的合成電流;茲場控制石茲性存儲器件的存4諸層的》茲化方 向，可執行將信息寫(記錄)到;茲性存儲器件中。通常，分別對應 于信息"0"和信息"1"來記錄不同的》茲化方向(石茲化狀態)。此外，公開了利用星狀(asteroid)特性執行將信息記錄(寫) 到存儲器件中的方法(例如，曰本未審查專利申請公開第10-116490 號)，或使用開關特性的方法(例如，美國專利申請公開第 2003/0072174 Al號)。另一方面，所記錄的信息以下述方式讀出。使用諸如晶體管的 元件選擇存儲單元，然后磁性存儲器件的隧道磁阻效應用于檢測存 儲層磁化方向之間的差作為電壓信號之間的差，從而檢測所記錄的4呂息。當該MRAM與其他J壬意非易失性存〗諸器相比時，MRAM的主 要特征在于，可以以高速且幾乎無限次(即，〉1015次)地重寫信 息，這是因為通過反轉由強》茲體形成的存4諸層的》茲化方向來進行信 息"0"和信息T的重寫。然而，為了在MRAM中重寫所記錄的信息，優選生成相對較 大的電流一磁場。大量的電流(例如，幾mA至幾十mA )可流過地 址線。因此，會極大地增加功耗。此夕卜，MRAM通常包括分別需要的用于寫的地址線和用于讀 的地址線。因此，難以在結構上減小存儲單元的尺寸。此外，器件尺寸的減小會引起一些問題，即，由于地址線變細， 所以難以經由;也址線流過充足的電流。此外，由于頭喬頑力增加，所 以電流f茲場也會增加，乂人而^f吏功壽毛增加。因此，難以減小器件的尺寸。然而，公開了對無需使用電流磁場進行記錄的結構的研究。其 中，對于能夠以小電流進行^茲通反向(flux reversal)的存儲器的研 究，用于使用基于自旋轉移(spin transfer )的磁通反向的存儲器已 經引起了關注(例如，美國專利第5695864號)。利用自^走轉移的^茲通反向表示通過f茲體而自S走才及化 (spin-polarize )的電子^皮注入到另 一種不固定的i茲體，/人而^f吏后一種》茲體發生石茲通反向(例3。，曰本未審查專利申^青7>開第2003-17782號)。換句話說，通過具有固定磁化方向的磁性層(磁化固定層)的 自旋極化電子是以下現象當該自旋極化電子進入磁化方向不固定 的不固定磁化層(磁化自由層)時，為磁性層的磁化提供轉矩 (torque )。此外，使大于特定閾值的電流通過磁性層可以反轉磁性 層(磁化自由層)的磁化方向。例如，具有》茲化固定層和》茲化自由層的巨磁阻效應元件(GMR 元件)或f茲性隧道結元件(MTJ元件)包括在與GMR或MTJ元件 的膜表面垂直的方向上通過電流。結果，可以反轉元件的至少一部 分磁性層的》茲化方向。以這種方式，形成了具有磁化固定層和磁化自由層(存儲層) 的存儲器件，然后改變流過存儲器件的電流的極性以反轉存儲層的 萬茲化方向，/人而重寫信息"0"和信息"1"。通過在磁化固定層和磁化自由層(存儲層)之間設置隧道絕緣 層，可以類似于MRAM的方式利用隧道石茲阻效應來讀耳又所記錄的 信息。此外，利用自S走轉移的》茲通反向具有可以在不增加電流的情況 下實現J茲通反向的伊C點。當存儲器件例如約為0.1 jam大小時，流過存儲器件從而引起磁 通反向的電流的絕對值為lmA以下。此外，具有絕對值與存4諸器 件的體積成比例地減小的優,* 。此外，具有由于去除了在MRA中必需的i己錄字線而可以簡4匕 存4諸單元結構的另 一個優點。下文中，將利用自旋轉移的存儲器件稱作自旋轉移隨機存取存儲器(Sp-RAM )。此外，將引起自旋轉移的自旋極化電流稱作自旋 注入電流(spin injection current )。非常期望Sp-RAM作為非易失性存儲器，其能夠實現低功耗并 包括較大的存儲容量，同時還能夠保持MRAM的、獲得高速性能 并幾乎無限次地重寫的優點。圖1是使用自旋轉移的現有技術的存儲器(Sp-RAM)的存儲 單元的示意性截面圖。為了電讀取存儲在存儲單元中的信息，可使用二極管、MOS 晶體管等。在圖l所示的存儲單元中，使用的是MOS晶體管。首先，描述形成Sp-RAM中存儲單元的存儲器件101的結構。纟失》茲層112和4失石茲層114通過反4失石茲耦合連4妄并通過非》茲性層 113配置。下層側的鐵磁層112被配置成鄰接反鐵磁層111。在這些 層之間產生的交換相互作用具有很強的單向磁性各向異性。因此， 石茲化固定層102包括四層111、 112、 113和114。 4灸句話i兌，y磁化 固定層102包4舌兩個纟失》茲層112、 114。鐵》茲層116 4皮形成為可相對容易地反轉不茲化Ml的方向。通過 該纟失》茲層116形成存4諸層(石茲化自由層)103。在不茲化固定層102的鐵萬茲層114和《失》茲層116之間(即，在；茲 化固定層102和存儲層(磁化自由層)103之間)形成隧道絕緣層 115。隧道絕纟彖層115斷開在垂直方向上配置的石茲性層116和;茲性層 114之間的》茲性井禺合，同時在其中流過隧道電流。因此，隧道》茲阻8(TMR)元件包括具有^t性層的固定^f茲化方向的^t化固定層102、 隧道絕緣層115以及可改變》茲化方向的存儲層(^磁化自由層)103。此外，上述各層111 ~ 116、底層110以及頂覆層117形成包括 TMR元件的存4諸器件101。此外，在硅基板120上形成選擇MOS晶體管121。在選擇MOS 晶體管121的一個擴散層123上形成接線插頭(連接塞，connection plug) 107。存儲器件101的底層110連接至接線插頭107。選擇 MOS晶體管121的另一個擴散層122通過接線插頭107連4妄至傳 感線(未示出)。柵極106連接至選擇信號線(未示出)。存儲器件101的頂覆層117連接至配置在其上的位線(BL )105。在穩定狀態下，通過非磁性層113的強反鐵磁性耦合，鐵磁層 112的i茲化Mil和4失石茲層114的》茲化M12幾乎處于完全反向平行 狀態。通常，牽力磁層112和4失不茲層114具有相同的々包和》茲化力莫厚積。 因此，磁極磁場的泄漏分量很小以至于可以忽略。由這些層114、 115、 116形成的TMR元4牛的阻抗/f直依賴于夾 置隧道絕緣層115的存儲層103中鐵磁層116的磁化Ml的方向和 磁化固定層102中鐵^茲層114的磁化M12的方向是平行狀態還是反 向平行狀態而 文變。當兩個》茲化M1、 M12處于平行狀態時，阻抗 值較低，而處于反向平行狀態時，阻抗值較高。整個存儲器件101 的阻抗隨著TMR元件(114、 115、 116)的阻抗改變而改變。該因 素可用于信息的記錄和所記錄信息的讀取。換句話說，例如，信息 "0"可指定為低阻抗值的狀態，信息'T，指定為高阻抗值的狀態。 因此，可記錄兩個值(1位)的信息。注意，在形成^茲化固定層102的層中，當讀取所記錄的信息時， 存儲層103側上的鐵磁層114是基準的鐵磁層并設置為存儲層103 》茲化M1的方向的基準。因此，鐵A茲層114也被稱為基準層。為了在存儲單元中重寫信息或從存儲單元讀耳又信息，自旋注入 電流Iz流過存儲單元。自旋注入電流Iz流過存儲器件101、擴散層 123和位線105。通過改變自S走注入電流Iz的才及性，可將自S走注入電流Iz的方 向乂人上向下改變或/人下向上改變。因此，通過改變存儲器件101存儲層103的磁化Ml的方向，可重寫存儲單元中的信息。然而，為了反轉存儲器件的存儲層的磁化方向，不僅使自旋注 入電流流過存儲器件，而且Sp-RAM還在除存儲器件之外的存儲層 上施加偏置電流i茲場(例如，日本未審查專利申諱-7>開第 2005-277147號)。具體地，在圖1所示的存儲單元的結構中，通過位線105向存 儲器件101引入自旋注入電流Iz。此外，對存儲器件101的存儲層 103施加通過流過位線105的電流(等于自4t注入電流Iz )生成的 偏置電流》茲場Hx (未示出)。因此，可以有效地 文變存4諸層103的^茲化Ml的方向。發明內容然而，在圖1所示的存儲器件101的結構中，作用于存儲層(磁化自由層)103的石茲化Mfree ( = Ml )的自^走轉矩的大小與向量三重 積MfreeXMfteeXMref成比例。Mfef是基準層(4失》茲層)的》茲^匕(=M12 )。在初始狀態下，存儲層(》茲化自由層)103的石茲化Mfree和基準 層(鐵磁層)114的磁化Mref處于平行狀態或反向平行狀態。第一 作用自旋轉矩非常小。因此，自旋轉矩降低的越少，》茲通反向電流增加的越多。因此，磁通反向電流的增加導致用于反轉存儲層的磁化方向的 自》走、注入電5危i曾力口 。因此，重寫存儲在存儲單元中的信息的電能消耗增加了用于驅 動存儲單元的消庫C電能。根據本發明的 一個實施例，提供了 一種能夠通過以少量電流反 轉存儲層的磁化方向來記錄信息的存儲器件。本發明的該實施例還 提供了一種配備有這種存儲器件的存儲器。本發明的第 一 實施例是包括存儲層和磁化固定層的存儲器件。 存儲層用于基于磁體的磁化狀態在其上保存信息。通過非磁性層在 存儲層上形成具有固定》茲化方向的》茲化固定層。通過在堆疊方向上 使電流流過其中來改變存儲層的磁化方向，以將信息記錄在存儲層 上。兩條金屬配線分別鄰近;茲化固定層的兩端形成。根據本發明的第一實施例，存儲器件包括用于基于磁體的磁化 狀態在其上保存信息的存儲層。該存儲層包括通過非磁性層的磁化 固定層。電流在堆疊方向上流過使存儲層的磁化方向改變，以將信息記錄在存^諸層上。因此，在堆疊方向上流過電流可通過自^走注入 使存儲層的磁化方向發生改變，從而實現信息的記錄。此外，分別鄰近磁化固定層的兩端形成兩條金屬配線。來自這 兩條金屬配線的電流磁場作用于磁化固定層，以在磁化固定層的兩端沿不同的堆疊方向生成石茲4匕分量。因4匕，具有不同方向的兩個自 旋轉矩可通過堆疊方向上的^茲化分量作用于存儲層。本發明的第二實施例是包括存儲器件的存儲器。該存儲器件包 括存儲層和磁化固定層。存儲層用于基于磁體的磁化狀態在其上保 存信息。通過非》茲性層在存儲層上形成具有固定》茲化方向的》茲化固 定層。通過在堆疊方向上〗吏電流流過其中來改變存4諸層的石茲化方 向，以將信息記錄在存儲層上。兩條金屬配線分別鄰近磁化固定層 的兩端形成。相同方向的電流流過兩條金屬配線分別在形成磁化固 定層的多個鐵磁層的、至少鄰近存儲層配置的鐵磁層的兩側形成磁 化區域。磁化區域是層壓方向上的磁化分量，并且它們的方向不同。根據本發明的第二實施例的存儲器，設置用于基于磁體的磁化 狀態在其上保存信息的存儲層。在堆疊方向流過電流4吏存儲層的磁 化方向發生改變。該存儲器包括用于在存儲層上執行信息的記錄的 存儲器件和用于沿堆疊方向提供通過存儲器件的電流的配線。在根 據本發明的第一實施例的存儲器件中，可通過自旋注入4丸行信息的 記錄，其中，電流沿堆疊方向流過存儲器件中的配線。此外，使相同方向的電流流過鄰近磁化固定層兩端形成的兩條 金屬配線導致在磁化固定層中鐵磁層的兩端形成磁化分量。因此， 具有不同方向的兩個自旋轉矩可作用于存儲層，乂人而允許以少量電 流i己錄j言息。沖艮據本發明的上述實施例，通過反轉存儲層的磁化方向，可以 以減小的電流量在存^f渚層上記錄"f言息。因此，本發明的實施例可以提供能夠通過降低用于記錄的消耗 電能來以較少的電能消耗記錄信息的存儲器。
圖1是使用自旋轉移的現有技術的存儲單元的示意性截面圖；圖2是根據本發明實施例的存儲器件的示意性截面圖；圖3是示出當將電流磁場施加于存儲器件時圖1所示存儲器件 的磁化狀態的示圖；圖4是示出施加于存儲層磁化的自旋轉矩的示圖；以及圖5A和圖5B是分別示出電流脈沖隨時間改變的示圖，其中， 圖5A示出了關于自旋注入電流的電流脈沖，圖5B示出了關于金屬 配線的電流力永沖。
具體實施方式
首先，在描述本發明的具體實施例之前描述本發明的概念。使用自旋轉移的存儲器(Sp-RAM)包括足夠大的各向異性， 以相對于熱波動穩定存儲層(磁化自由層)的磁化。通常，可通過熱穩定性參數(△)表示存儲層的磁化相對于上 述熱波動的穩定程度，即，熱穩定性指標。換句話說，熱穩定性參數(△)表示為△=KuV/kBT (Ku:各向異性能量，V:存儲層的體積，kB:玻 爾茲曼常數，T:絕對溫度)。此外，需要在使用自旋轉移的存儲器(Sp-RAM)中確保熱穩 定性指標(熱穩定性參數)△高于特定程度，同時減小磁通反向電流o因此，進行了各種研究，并且可如下形成穩定的存儲器。形成 磁化固定層，使得多個鐵磁層通過非磁性層堆疊并反鐵磁耦合。然 后，在至少鄰近存儲層的鐵^茲層的兩端分別形成具有沿堆疊方向的 石茲化分量和方向不同的不同^f茲化的^ 茲性區域。此外，如下在磁化固定層中的鐵磁層的兩端有效形成分別具有 沿堆疊方向的》茲化分量和不同方向的不同；茲化的》茲化區域。首先， 鄰近石茲化固定層的兩端配置金屬配線，然后將電流施加于每條金屬 配線以將電流磁場作用于磁化固定層的鐵磁層。在這種情況下，通過施加電流;茲場在石茲^f匕固定層中的4失石茲層的 兩端形成沿堆疊方向具有相互不同方向的》茲4b分量。因此，有歲文;也 使沿堆疊方向的^t化分量作用于存儲層的石茲化。此外，為了在磁化固定層的鐵磁層的兩端形成沿堆疊方向分別 具有磁化分量的磁化區域，需要鄰近磁化固定層的兩端總共配置兩 條金屬配線。此外，為了使得到的磁化區域在磁化固定層的兩端具 有不同方向的》茲化，這兩條金屬配線需要電流沿相同方向流過。優選配置金屬配線，使其可以與磁化固定層中的鐵磁層的磁化 方向垂直。此外，優選在與磁化固定層平行的平面中配置金屬配線。沿相同方向分別只于兩條配線施力o電:;危，以沿i,疊方向生成相應 的萬茲化分量以及方向不同的》茲化。因此，可以/人^"茲化區域的兩端將 具有不同方向的兩個自旋轉矩作用于存儲層的兩端。這兩個自旋轉矩可容易地反轉存儲層的^ 茲化方向。因此，可通 過少量電流反轉存儲層的磁化方向。接下來，將描述本發明的具體實施例。圖2是根據本發明 一個實施例的存儲器件的示意性截面圖。存儲器件1包括隧道》茲阻效應(TMR)元件。在存儲器件1中，鐵磁層12和鐵磁層14通過非磁性層13配 置并利用反鐵磁性耦合彼此結合。另外，鐵磁層12被配置成與反 鐵磁層11鄰接。這里，由于這些層之間的交換相互作用，可觀察 到^艮強的單向^茲性各向異性。》茲化固定層2包括四層11、 12、 13、 14,并且磁化固定層2包括兩個鐵磁層12、 14。鐵磁層16被設計為相對容易地反轉磁化Ml的方向。鐵磁層 16形成存儲層(磁化自由層)3。在鐵磁層14和鐵磁層16之間， 即，在磁化固定層2和存儲層(磁化自由層)3之間形成隧道絕緣 層15。隧道絕纟彖層15斷開沿垂直方向配置的》茲性層16和f茲性層 14之間的萬茲性耦合，同時還施加隧道電流。因此，隧道》茲阻效應 (TMR)元件包括具有磁性層的固定磁化方向的磁化固定層2、隧 道絕緣層15以及能夠改變磁化方向的存儲層(磁化自由層)3。具 有TMR元件的存儲器件1包括上述層11 ~ 16、底層10以及頂覆層 17。通過非磁性層13的強反鐵磁性耦合在反向平行方向上形成鐵 石茲層12的^茲化Mil和4失》茲層14的》茲4匕M12。具有這些層14、 15、 16的TMR元4牛的阻抗/f直依賴于夾置隧道 絕纟彖月莫15的存4諸層3的4失不茲層16的磁化Ml的方向和》茲化固定層2中的鐵》茲層14的》茲化M12的方向是平行狀態還是反向平行狀態 而改變。當兩個;茲4bMl、 M12處于平4亍狀態時，阻抗值4交^f氐，而 處于反向平行狀態時，阻抗值較高。整個存儲器件1的阻抗隨著 TMR元件(14、 15、 16)的阻抗改變而改變。該事實可用于4言息 的記錄和所記錄信息的讀取。換句話說，例如，信息"0"可指定 為低阻抗值的狀態，信息"1"指定為高阻抗值的狀態。因此，可 以記錄兩個值(l位)的信息。在形成磁化固定層2的層中，當讀取所記錄的信息時，存儲層 3側的鐵磁層14是基準的鐵磁層并設置為存儲層3的磁化Ml方向 的基準。因此，鐵》茲層14也被稱為基準層。為了在存儲單元中重寫信息或從存儲單元讀出信息，優選自旋 注入電流Iz流過存^f渚器^f牛1。通過改變自旋注入電流Iz的一及性，可將通過存〗諸器件1的自旋 注入電;危I z ,人上向下或乂人下向上改變。因此，通過改變存4諸器件1的存4諸層3的》茲化Ml的方向，可 重寫存儲單元中的信息。可以以類似于圖1所示現有技術的存儲器件101的方式形成本 實施例的存儲器件l。即，存儲器件1可連接至形成在硅基板上的 選沖奪MOS晶體管，以執行存儲單元的讀取。此外，存儲器件l可連接至配線，并且自旋注入電流Iz可沿堆 疊方向通過配線流過存儲器件1。在本實施例的存儲器件1中，除上述TMR元件之外還配置金 ^酉己纟戔20、 21。才奐句i舌"i兌，t^酉己纟戔20、 21 4卩il》茲4b固ti 2的 兩端配置，并沿紙面的法線方向延伸。金屬配線20、 21被設計成在存儲器件1的附近沿同一方向流 過電流。此外，金屬配線20、 21被配置成鄰近存儲器件1的兩側但不 與磁化固定層2接觸。此外，金屬配線20、 21的每一條都可放置 在使生成的電流萬茲場沿堆疊方向在,茲化固定層2上生成萬茲化分量的 位置處。例如，金屬配線可鄰近存儲器件1的磁化固定層2的兩端 配置，其在與^f茲化固定層2的^t化方向垂直的方向上或與i茲化方向 平行的方向上延伸。此外，可在與存儲器件1的磁化固定層平行的 平面中配置金屬配線。在圖2中，當施加電流IZ時，作用于存儲層3的i茲化Mfree (= Ml )的自旋轉矩的大小與向量三重積MfreeXMfreeXMref成比例。然而， Mref是基準層14的》茲化(=M12 )。在初始狀態下，存儲層3的石茲化Mfree和基準層14的石茲化Mref 處于平行狀態或反向平行狀態。第一作用自旋轉矩非常小。因此， 在這種情況下，》茲通反向電流增加。在本實施例的存儲器件l中，使相同方向的電流流過金屬配線20、 21， 乂人而在堆疊方向上在H磁層12、 14的兩端生成具有相互 不同方向的^茲化分量。此外，在堆疊方向上生成^茲化分量導致作用 于存儲層3的磁化Ml的自旋轉矩增加，同時降低了磁通反向電流。這里，優選在與存儲器件1的磁化固定層2平行的平面中配置 H酉己纟戔20、 21。 jt匕夕卜，H西己纟戔20、 21 ^Li4^與》茲^匕固《i 2 的不茲^1方向垂直的方向上延伸。如上所述，在與》茲化固定層2平4亍的平面中配置金屬配線20、 21，并且金屬配線20、 21和》茲4b固定層2的不茲4匕方向4皮此垂直。 因此，在金屬配線20、 21周圍生成的電流;茲場可有助于作用于石茲 化固定層2的鐵磁層12、 14。結果，可容易生成堆疊方向上的磁化 分量。此外，沿堆疊方向生成的》茲化分量變強。因此，可以增加作 用于存儲層的磁化的自旋轉矩。此外，可以減小磁通反向電流。可以，沒計金屬配線20、 21,使得可鄰近存儲器件1形成兩條獨 立的金屬配線。可選地，在存儲器件l周圍，可以分割單條配線以 在存儲器件1附近提供兩條金屬配線。接下來，圖3示出了當將平行的電流Ia、Ib施加于金屬配線20、 21時磁化固定層2的磁化狀態。如圖3所示，當通過兩條金屬配線20、 21 A人圖的前側到其后 側施加平行的電流Ia、 Ib時，如圖3中的虛線所示，順時針方向地 在金屬配線20、 21周圍生成電;克》茲場20a、 21a。在這種情況下，分別通過兩條金屬配線20、 21，磁化固定層2 內的電;:危》茲i^ 20a、 21a成為兩個電力U茲i^ 20a、 21a的合成石茲i為。隨著電流萬茲場20a、 21a與金屬配線20、 213巨離的增力口，由兩 **，酉己纟戔20、 21 AA的電^^茲i^ 20a、 21a ^于i^詳斤卩爭4氐。因jt匕， 鄰近金屬配線20的磁化固定層2的末端(左側)強烈受到由金屬 配線20生成的向下的電流,茲場20a的影響。相反，鄰近金屬配線21的磁化固定層2的末端(右側)強烈受到由金屬配線21生成的 向上的電流》茲場21a的影響。另 一方面，幾乎在f茲化固定層2的中央，兩個電流》茲場20a、 21a的大小幾乎互相相等，并且它們的方向互相相反。因此，電流 》茲場20a和21a互相才氐消。結果，》茲4匕固定層2內的》茲4匕結構變為如圖3所示的結構。換句話說，在石茲化固定層2中，在4失/磁層12的不茲化Mil的兩 端和4失》茲層14的》茲化M12的兩端生成向上的^茲化分量Mlla、M12a 或向下的》茲化分量Mllb、 M12b。這些向上和向下的》茲化分量 Mlla、 M12a、 Mllb、 M12b在》茲4匕Mil和》茲4匕M12的》茲化方向 和堆疊方向之間具有角度。鄰近金屬配線20的磁化固定層2的末端(左側)接收由金屬 配線20生成的向下電流石茲場20a的影響。因此，生成向下的》茲化 分量Mllb、 M12b。此夕卜，鄰近金屬配線21的不茲化固定層2的末 端(右側)接收由金屬配線21生成的向上電流磁場21a的影響。 因此，生成向上的^茲化分量Mlla、 M12a。這些向上的》茲化分量 Mlla、 M12a和向下的》茲化分量Mllb、 M12b在;茲化固定層2的 兩端幾乎相互逆向。此夕卜，幾乎在萬茲化固定層2的中央，兩個電流i茲場20a、 21a 互相纟氏消。沒有生成沿堆疊方向的^茲^f匕分量。如上所述，在磁化固定層2的兩側生成沿堆疊方向的磁化分量。 具體地，對于磁化固定層2的鐵磁層12、 14，生成鄰近存儲層3的 鐵磁層(即，基準層)14的堆疊方向上的磁化。因此，可以在初始 狀態下增大上述存^f諸層3的》茲4匕Ml的向量三重積MfreexMfreexMref。因此，正好在存^諸層3的磁化Ml的《失i茲層14的堆疊方向上 的不茲化分量上方的極其窄的區域上施加極大的自旋轉矩。此時，磁化固定層2包括距離金屬配線20、 21非常長的距離， 難以在《失/磁層12的》茲化Mil和4失石茲層14的》茲化M12的兩端在堆 疊方向上生成》茲化分量。因此，由于在》茲化固定層2兩側生成的》茲 化，不會得到用于降低存儲層3的磁化Ml的磁通反向電流的足夠 量的自旋轉矩。因此，可在對^t化固定層2生成電流》茲場的位置處 配置金屬配線20、 21。此夕卜，施加于金屬配線20、 21的電流可以相等或4皮此不同。 來自金屬配線20、 21的電流石茲場分別作用于鐵》茲體12、 14的兩端。 然后，沿堆疊方向的^茲化分量可生成自禱:轉矩。在4失》茲層12、 14 的端部生成的磁化分量不必要彼此相同。在圖2的存4諸器件中，在圖4中示出了添加到存儲層3的f茲化 Ml的自S走4爭矩的4犬態。^圖4戶斤示，乂人Mll、 M12^f吏由沿堆疊方 向的磁化分量生成的方向互相相反的自旋轉矩Ta、 Tb作用于存儲 層3的磁化Ml,從而執行存儲層3的磁化Ml的同時旋轉。結果，可以容易地反轉存4諸層3的^茲化Ml的方向。在本實施例中，在》茲4b固定層2的4失f茲層12、 14中生成具有 沿堆疊方向的》茲化分量的磁化。然而，如存儲器件101的情況，可 以通過自旋注入電流Iz的方向(才及性)來控制存4諸層3的》茲化Ml 的方向。圖5示出了施加于金屬配線20、 21的電流Ia、 Ib的電流月永沖 和自力走注入電流Iz的電流月永沖的時間變4t (定時)之間的關系圖。在圖5中，自^走注入電流Iz和施加于金屬配線20、 21的電流 Ia、 Ib分別被確定矩形脈沖。初始狀態設置為"t0"。此外，自旋注 入電流Iz和電流Ia、 Ib的上升時間分別^皮i殳置為"tl"和"t2，，。 此夕卜，自旋注入電流Iz和電流Ia、 Ib的下降時間分別凈皮設置為"t3，， 和"t4"。對于自4t注入電流Iz和電流Ia、 Ib，每個l永沖的持續時 間為t3 ~ tl和t4 ~ t2。自i走注入電流Iz在tl之前處于關斷狀態， 在tl時處于通^各狀態以及在t3時處于關斷狀態。在圖5A中，自^:注入電流Iz的月永沖上升時間tl不同于電流Ia、 Ib的月永沖上升時間t2。才奐句話"i兌，時間tl晚于時間t2。此夕卜，在 圖5B中，自S走注入電流Iz的月永沖上升時間tl等于電流Ia、 Ib的月永 沖上升時間t2。如圖5A所示，電流Ia、 Ib的電流月永沖上升時間t2快于自旋注 入電流Iz的電流月永沖上升時間tl。因此，可預先在^茲化固定層2 的纟失》茲層12、 14的兩端生成沿堆疊方向的^f茲化分量。因此，沿堆 疊方向的磁化分量使方向彼此相反的自旋轉矩Ta、 Tb作用于存儲 層3的》茲化Ml。因此，可以容易地反轉存儲層3的^茲化Ml的方 向。結果，可以降低磁通反向電流。此外，可通過少量電流反轉存 儲層的磁化方向。此夕卜，如圖5B所示，電流Ia、 Ib的電流脈沖上升時間t2等于 自禱:注入電流Iz的電流月永沖上升時間tl 。此外，電流Ia、 Ib的電 流月永沖下降時間t4等于自S走注入電流Iz的電流月永沖下降時間t3 。 在這種情況下，可以標準化用于驅動的轉換(switching )。當同時提 供電流Ia、 Ib和自S走注入電流Iz時，流過電流Ia、 Ib的電流增力口 有助于沿堆疊方向在4失;茲層12、 14的兩端生成》茲4匕分量。因此， 可以容易地反轉存儲層3的磁化M1的方向。因此，可以降低》茲通 反向電流。此外，可以通過少量電流反轉存儲層的》茲化方向。金屬配線20 、 21的電流la 、 Ib的下降時間t4可以是4壬4可的任 意時間。例如，如圖5A所示，下降時間t4可以晚于自S走注入電流 Iz的下降時間t3。可選地，下降時間t4可以與自旋注入電流Iz的 下降時間t3同時結束。此外，在圖4中，左側向下的自旋轉矩Ta相對于右側向上自 旋轉矩Tb的角度幾乎為180。。可以根據金屬配線20、 21的鐵磁層 12、 14的膜厚或其飽和磁化的大小來控制該角度。即使該角度不是如圖4所示的大約180°,但彼此反向的自旋轉 矩可以作用于存儲層3的》茲化Ml，從而容易地反轉存儲層3的》茲 Ml的方向。在本實施例中，形成存儲器件1的各層的材料可以是與用在現 有技術存儲器件中的材料相同的材料。反難失》茲層11的材料可以是例如PtMn 。磁化固定層2的鐵磁層12 、 14的材料可以是CoFe等。非磁性層13的材料可以是Ru、 Ta、 Cr、 Cu等。隧道絕纟彖層15的材并+可以是例如MgO。存儲層3的鐵磁層16的材料可以是諸如CoFeB的鐵磁材料。在上述實施例的存4諸器件1中，在存4諸層3之下形成》茲化固定 層2，從而可在存儲層3之下配置具有沿堆疊方向的磁化分量的基 準層14的磁化區域。可選地，可以在存儲層之上形成石茲化固定層， 并且石茲化區域可在存儲層之上。在本實施例中，磁化固定層2包括兩層，即，鐵磁層12、 14。然而，并不具體限制形成磁化固定層2的鐵磁層的數量。例如，在上述實施例的存儲器件中，形成磁化固定層的鐵磁層 的數量可以是除兩層之外的任意層數。在這種情況下，可以通過將 來自金屬配線的電流磁場施加于至少配置在鄰近存儲層3的磁化固 定層的鐵磁層上來形成沿堆疊方向的磁化分量。結果，大的自旋轉 矩可作用于存儲層的磁化。從而，可以容易地反轉存儲層3的磁化 Ml的方向。因此，可以通過自3走注入電流Iz的少量電流來反轉存 儲層3的磁化M1。以這種方式，可以降低用于記錄信息的自旋注入電流Iz的消庫毛 電能，乂人而降^f氐功井毛。例如，即使磁化固定層僅包括一層鐵磁層，來自金屬配線的電 流》茲場也可以作用于單個4失》茲層，以生成沿堆疊方向的》茲〗匕分量。 結果，自旋轉矩可作用于存儲層的磁化。此外，例如，三層以上的鐵磁層可形成磁化固定層。在磁化固 定層包括多層鐵》茲層的情況下，來自金屬配線的電流^t場可作用于 鄰近存儲層3的,茲化固定層的至少一層4失》茲層，以生成沿堆疊方向 的》茲化分量。結果，自旋轉矩可作用于存儲層的》茲化。此外，用于生成沿堆疊方向的磁化分量的鐵磁層并不限于鄰近 存儲層3配置的《失;茲層。可以在形成磁化固定層的另一鐵磁層上形 成沿堆疊方向的》茲化分量。此外，可允許多層《失f茲層生成沿堆疊方 向的磁化分量，以對存儲單元的磁化施加大自旋轉矩的作用。結果， 可以容易地反轉存^諸層3的》茲化Ml的方向。因此，可以以自旋注 入電流Iz的少量電流容易地反轉存儲層3的萬茲化Ml的方向。因此，可以降低用于記錄語言信息的自旋注入電流Iz的消庫t電能，從而降降低功耗。本發明并不限于任何上述結構，并且在不背離本發明精神的情 況下還可以采用各種其4也結構。本領域的技術人員應該理解，根據設計要求和其它因素，可以 有多種修改、組合、再組合和改進，均應包含在本發明的權利要求 或等同物的范圍之內。
權利要求
1.一種存儲器件，包括存儲層，基于磁體的磁化狀態在其上保存信息；磁化固定層，具有固定磁化方向，通過非磁性層形成在所述存儲層上；以及兩條金屬配線，鄰近所述磁化固定層的兩端形成，其中通過使電流沿堆疊方向通過所述存儲層來改變所述存儲層的磁化方向，以將所述信息記錄在所述存儲層上。
2. 根據權利要求1所述的存儲器件，其中，所述磁化固定層包括通過非磁性層堆疊的多個鐵磁層。
3. 根據權利要求1所述的存儲器件，其中，所述兩條金屬配線垂直于所述4失f茲層的^Ht方向形成。
4. 根據權利要求1所述的存儲器件，其中，所述兩條金屬配線形成在與所述》茲化固定層平4亍的平面中。
5. —種存儲器，包括存儲器件，包括基于磁體的磁化狀態在其上保存信息的 存儲層；磁化固定層，通過非》茲性層形成在所述存4渚層上，具有 多個鐵磁層并具有固定石茲化方向；以及兩條金屬配線，鄰近所述^f茲化固定層的兩端形成，其中通過使電流沿堆疊方向通過所述存儲層來改變所述存儲 層的》茲化方向，以將所述信息記錄在所述存4諸層上，以及其中通過使電流沿相同方向流過所述兩條金屬配線，在形成 所述磁化固定層的所述多個鐵磁層中、至少位于與所述存儲層 最近側的鐵》茲層的兩端形成第一f茲化區域和第二》茲化區域，所 述第 一磁化區域和所述第二磁化區域包括沿堆疊方向的磁化 分量并且它們的方向互不相同。
全文摘要
本發明公開了存儲器件和具有這種存儲器件的存儲器，其中，該存儲器件包括基于磁體的磁化狀態在其上保存信息的存儲層、通過非磁性層形成在存儲層上的具有固定磁化方向的磁化固定層以及鄰近磁化固定層的兩端形成的兩條金屬配線。在存儲器中，通過使電流沿堆疊方向流過來改變存儲層的磁化方向，以將信息記錄在存儲層上。通過本發明的存儲器，通過降低用于記錄的消耗功率以較小電功率來記錄信息。
文檔編號H01L27/22GK101252144SQ20081000618
公開日2008年8月27日 申請日期2008年2月21日 優先權日2007年2月21日
發明者五十嵐實, 大森廣之, 大石雄紀, 山元哲也, 山根一陽, 細見政功, 肥后豐, 鹿野博司 申請人:索尼株式會社